第七章 數(shù)字調(diào)制技術(shù)

第七章數(shù)字調(diào)制技術(shù)第一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四DigitalData,AnalogSignalTreattransmissionandreceptionasdigitizedAmplitudeShiftKeying(ASK)PhaseShiftKeying(PSK)Freq.ShiftKeying(FSK)ExampleShortmessage(短信息)Modem(調(diào)制解調(diào)器)7.1概述第二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四第三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四Modulationanddemodulationsynchronizationdecisiondigitaldataanalogdemodulationradiocarrieranalogbasebandsignal101101001radioreceiverdigitalmodulationdigitaldataanalogmodulationradiocarrieranalogbasebandsignal101101001radiotransmitter第四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四DigitalDatatoAnalogSignals第五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四ModulationofdigitalsignalsknownasShiftKeyingAmplitudeShiftKeying(ASK,幅移鍵控)verysimplelowbandwidthrequirementsverysusceptibletointerferenceFrequencyShiftKeying(FSK,頻移鍵控)needslargerbandwidthPhaseShiftKeying(PSK,相移鍵控)morecomplexrobustagainstinterferenceDigitalDatatoAnalogSignals第六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四

7.2二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制7.2.1二進(jìn)制幅度鍵控（2ASK）幅度鍵控是正弦載波的幅度隨數(shù)字基帶信號而變化的數(shù)字調(diào)制。當(dāng)數(shù)字基帶信號為二進(jìn)制時，則為二進(jìn)制幅度鍵控。第七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四GenerationofASKSignalsSimplestmethodforbinaryASKistouseaswitchtogatethecarrieronandoff,drivenbythedatasignal.第八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四DigitalamplitudemodulationbyabinarysignalisThemodulatingsignal[vm(t)]isanormalizedbinarywaveform,where+1V=logic1and–1V=logic0.ASK第九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四ASKForlogic1input,vm(t)=1andEquationreducestoForlogic0input,vm(t)=-1andEquationreducesto第十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四ASKOnebinarydigitrepresentedbypresenceofcarrier,atconstantamplitude.Otherbinarydigitrepresentedbyabsenceofcarrier.第十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四Figure第十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四ASKThecarrierissimplyturnedonoroff.DigitalamplitudemodulationisalsoknownasON–OFFKeying(OOK,開關(guān)鍵控).Low-quality,lowcost,therefore,seldomusedinhigh-capacity,highperformancecommunicationssystem.第十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四ASK第十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四ASK信號的功率譜由于二進(jìn)制振幅鍵控信號是隨機的、功率型的信號，故研究頻譜特性時，應(yīng)該討論它的功率譜密度。 第十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四

ASK信號的功率譜密度PE(f)是相應(yīng)的單極性數(shù)字基帶信號功率譜密度Ps(f)形狀不變地平移至±fc處形成的。

ASK信號的功率譜密度由連續(xù)譜和離散譜兩部分組成。ASK信號的功率譜第十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四

ASK信號的帶寬BASK是單極性數(shù)字基帶信號帶寬fs的兩倍。當(dāng)數(shù)字基帶信號的基本脈沖是矩形不歸零脈沖時，fs=1/Ts。于是ASK信號的帶寬為BASK=2fs=2/Ts

ASK信號的主要優(yōu)點是易于實現(xiàn)，其缺點是抗干擾能力不強，主要應(yīng)用在低速數(shù)據(jù)傳輸中。ASK信號的帶寬第十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四ASK信號的功率譜密度示意圖第十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四ASK信號的解調(diào)方法帶通濾波器整流器低通濾波器取樣判決器(a)包絡(luò)檢波定時脈沖帶通濾波器取樣判決器低通濾波器相乘器(b)相干解調(diào)定時脈沖第十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四 在相同的信噪比條件下，相干解調(diào)法的誤碼性能優(yōu)于包絡(luò)檢波法的性能； 在大信噪比條件下，包絡(luò)檢波法的誤碼性能將接近相干解調(diào)法的性能。 包絡(luò)檢波法存在門限效應(yīng)，相干解調(diào)法無門限效應(yīng)。ASK信號的抗噪聲性能第二十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四7.2.2FrequencyShiftKeying(FSK)FSKhasbeenthemostwidelyusedformofdigitalmodulationuntilrecently.simpletogenerateanddetectinsensitivetoamplitudefluctuationsonthechanneldistinctcarrierfrequenciesrepresentsymbolstates第二十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四FSKCanbeviewedastwo,separateASKsymbolstreamssummedpriortotransmission:第二十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四FSKGenerationSwitch–>phasejumps第二十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四FSKThegeneralexpressionforbinaryFSKisWhere△f

=peakfrequencydeviation

vm(t)=binaryinputmodulatingsignal(±1)△fisproportionaltotheamplitude.Themodulatingsignal[vm(t)]isanormalizedbinarywaveform,where+1V=logic1and–1V=logic0.第二十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四FSKForlogic1input,vm(t)

=1andEquation12-2reducestoForlogic0input,vm(t)=-1andEquationreducesto第二十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四FSK第二十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四1101FSKExampleDataFSKSignal第二十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四BFSKfs=fc+△f

iscalledthemarkfrequency(傳號頻率),fm=

fc－△f

iscalledthespacefrequency(空號頻率).LesssusceptibletoerrorthanASKUsedforhigh-frequency(3to30MHz)radiotransmission第二十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四 相位不連續(xù)的二進(jìn)制移頻鍵控信號的功率譜密度可以近似表示成兩個不同載波的二進(jìn)制振幅鍵控信號功率譜密度的疊加。相位不連續(xù)的二進(jìn)制移頻鍵控信號的時域表達(dá)式為BFSK信號的功率譜密度第二十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四根據(jù)二進(jìn)制振幅鍵控信號的功率譜密度，我們可以得到二進(jìn)制移頻鍵控信號的功率譜密度P2FSK(f)為相位不連續(xù)的二進(jìn)制頻移鍵控信號的功率譜由離散譜和連續(xù)譜所組成,離散譜位于兩個載頻fm和fs處；連續(xù)譜由兩個中心位于fm和fs處的雙邊譜疊加形成； 第三十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四BandwidthofFSK第三十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四BandwidthofFSKTheminimumbandwidthtopassaFSKis

where第三十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四BandwidthofFSKThepeakfrequencydeviationisgivenas第三十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四Non-coherentFSKDetection第三十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四FSKBinaryFSKhasapoorererrorperformancethanPSKorQAM.Seldomusedforhigh-performancedigitalradiosystems.Lowperformance,lowcost,asynchronousdatamodems第三十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四7.2.3PhaseShiftKeying(PSK)

1.BinaryPSK(BPSK)BPSK(二進(jìn)制相移鍵控)UsestwophasestorepresentbinarydigitsPhasesareseparatedby180degrees.Simpletoimplement,inefficientuseofbandwidth.Veryrobust,usedextensivelyinsatellitecommunication.第三十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四BPSKExampleDataCarrierCarrier+pBPSKwaveform110101第三十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四第三十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四ConstellationDiagram(星座圖)Aconstellationdiagram,whichissometimescalledasignalstate-spacediagram(信號狀態(tài)空間圖),issimilartoaphasor(向量)diagramexceptthattheentirephasorisnotdrawn.PropertiesofModulationSchemecanbeinferredfromConstellationDiagram.第三十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四TruthTable(真值表)andConstellationDiagram第四十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四2.DifferentialPSK(DPSK)DPSK(差分相移鍵控):itisabouttheproblemofestablishingacoherentreferenceatthereceiver.PhaseshiftwithreferencetopreviousbitBinary0–signalburstofsamephaseasprevioussignalburstBinary1–signalburstofoppositephasetoprevioussignalburst第四十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四DPSKSimplereceiver–nocarrierrecoverymechanismandstillgoodperformance.logic‘1’–>changeoflogicstatefrompreviouscodedbitlogic‘0”–>nochangeofstatefromthepreviouscodedbit第四十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四DPSK第四十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四DPSK第四十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四PSK及DPSK信號的功率譜密度 PSK與DPSK信號有相同的功率譜。 PSK信號可表示為雙極性不歸零二進(jìn)制基帶信號與正弦載波相乘，則PSK信號的功率譜為

一般情況下二進(jìn)制移相鍵控信號的功率譜密度由離散譜和連續(xù)譜所組成，其結(jié)構(gòu)與二進(jìn)制振幅鍵控信號的功率譜密度相類似，帶寬也是基帶信號帶寬的兩倍。 當(dāng)二進(jìn)制基帶信號的“1”符號和“0”符號出現(xiàn)概率相等時，則不存在離散譜，如上式所示。第四十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四PSK(DPSK)信號的功率譜密度第四十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四7.3二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能比較在數(shù)字通信中，誤碼率是衡量數(shù)字通信系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，下面我們將對二進(jìn)制數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率性能、頻帶利用率、對信道的適應(yīng)能力等方面的性能做進(jìn)一步的比較。

1.誤碼率二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方式有2ASK、2FSK、2PSK及2DPSK，每種數(shù)字調(diào)制方式又有相干解調(diào)方式和非相干解調(diào)方式。下表列出了各種二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率Pe與輸入信噪比r的數(shù)學(xué)關(guān)系。第四十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四表1二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率公式一覽表調(diào)制方式誤碼率相干調(diào)節(jié)非相干調(diào)節(jié)2ASK2FSK2PSK/2DPSK第四十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四 橫向比較，對同一種數(shù)字調(diào)制信號，采用相干解調(diào)方式的誤碼率低于采用非相干解調(diào)方式的誤碼率。 縱向比較，在誤碼率Pe一定的情況下，2PSK/2FSK/2ASK系統(tǒng)所需要的信噪比關(guān)系為第四十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四誤碼率Pe與信噪比r的關(guān)系曲線

第五十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四表2Pe=10-5時2ASK、2FSK和2PSK所需要的信噪比方式信噪比倍分貝2ASK36.415.62FSK18.212.62PSK9.19.6表3r=10時2ASK、2FSK方式誤碼率相干解調(diào)非相干解調(diào)2ASK1.26×10-24.1×10-2

2FSK7.9×10-4

3.37×10-32PSK3.9×10-62.27×10-5

第五十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四

2.頻帶寬度若傳輸?shù)拇a元時間寬度為Ts，則2ASK系統(tǒng)和2PSK(2DPSK)系統(tǒng)的頻帶寬度近似為2/Ts，即

2ASK系統(tǒng)和2PSK(2DPSK)系統(tǒng)具有相同的頻帶寬度。2FSK系統(tǒng)的頻帶寬度近似為

大于2ASK系統(tǒng)或2PSK系統(tǒng)的頻帶寬度。因此，從頻帶利用率上看，2FSK系統(tǒng)的頻帶利用率最低。第五十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四3.對信道特性變化的敏感性 在2FSK系統(tǒng)中，判決器是根據(jù)上下兩個支路解調(diào)輸出樣值的大小來作出判決，不需要人為地設(shè)置判決門限，因而對信道的變化不敏感。 在2PSK系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)送符號概率相等時，判決器的最佳判決門限為零，與接收機輸入信號的幅度無關(guān)。因此，判決門限不隨信道特性的變化而變化，接收機總能保持工作在最佳判決門限狀態(tài)。 對于2ASK系統(tǒng)，判決器的最佳判決門限為a/2(當(dāng)P(1)=P(0)時)，它與接收機輸入信號的幅度有關(guān)。當(dāng)信道特性發(fā)生變化時，接收機輸入信號的幅度將隨著發(fā)生變化，從而導(dǎo)致最佳判決門限也將隨之而變。這時，接收機不容易保持在最佳判決門限狀態(tài)，因此，2ASK對信道特性變化敏感，性能最差。第五十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四 在恒參信道傳輸中，如果要求較高的功率利用率，則應(yīng)選擇相干2PSK和2DPSK，而2ASK最不可??； 如果要求較高的頻帶利用率，則應(yīng)選擇相干2PSK和2DPSK，而2FSK最不可取。 若傳輸信道是隨參信道，則2FSK具有更好的適應(yīng)能力。第五十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四7.4多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)BinaryFSKandBPSKareM-arysystemswhereM=2.ThenumberofoutputconditionsisexpressedmathematicallyasWhereN=numberofbitsencoded第五十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四7.4.1Four-levelPSK(QPSK)Eachelementrepresentsmorethanonebit.MultilevelModulationTechnique:2bitspersymbolMorespectrallyefficient,morecomplexreceiver.TwotimesmorebandwidthefficientthanBPSK第五十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四QPSKTimePlot0O90O180O270O第五十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四第五十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四FigureThe4-PSKcharacteristics第五十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四QPSKWithQPSK,eachofthefourpossibleoutputphasorshasexactlythesameamplitude.DistinguishPSKfromQAMaccordingtothecharacteristic.第六十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四7.4.28-PSK第六十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期四8-PSKTheangularseparationbetweenanytwoadjacentphasorsis45degree,halfwhatitiswithQPSK.Itcanundergoalmosta±22.5degree.Graycode(格雷編碼):thetribitcode(3比特組編碼)betweenanytwoadjacentphaseschangesbyonlyonebit.第六十二頁，共七十二頁